巨菌草制备纳米纤维素及其表征

卢麒麟,唐丽荣,林雯怡,黄 彪,陈学榕,欧 文,林占熺,林冬梅

(1.福建农林大学材料工程学院，福建 福州 350002； 2.国家菌草工程技术研究中心，福建 福州 350002)

纳米纤维素(Nano-crystal Cellulose,NCC),也称纤维素纳米晶体(Cellulose Nano-crystal)，纤维素纳米纤丝(Cellulose Nano-fibril)，纤维素须状物(Cellulose Whisker)等，其粒径大小一般在1～100 nm[1]，具有特殊的流体力学特征，较高的杨氏模量，比表面积大，可长期稳定分散在溶剂体系形成准交替分散体系，在水中分散形成稳定的NCC胶体[2-3]。NCC作为增强相广泛应用于复合材料领域，能明显改变材料的力学、光学、热学、电学等性能，且具生物可降解性和可持续再生性，这些特性是其他高分子材料所无法比拟的[4]。目前，NCC的制备有酸法、碱法、离子交换树脂法[5]等多种方法。

巨菌草(Pennisetumsinese)是由福建农林大学林占熺研究员于1983年引进中国，经过20多年培育出的适合我国气候土壤环境的草种。巨菌草对土壤要求不高，在沙地、荒地、盐碱地等均可种植，秆直高大、叶宽，不易倒伏，生物量大，一年可长高5～7 m，最高鲜草产量每年可达525 t·hm-2，是目前已知人工种植植物的最高产量[6]。巨菌草纤维素含量高，可达到25%～35%，纤维长度约为1.48 mm，宽度30 mm，可作为一种优良的纤维素原料[7]。若以巨菌草为原料，研发出各种具有优异性能、高附加值的生物质材料，则可实现其高效、高附加值的资源化利用。本研究以巨菌草为原料，采用硫酸水解法制备NCC，考察硫酸质量分数、温度、时间等因素对纤维素分离过程的影响，并对其形貌、分散体系的稳定性、谱学性能以及晶体结构进行研究。

1 材料与方法

1.1试验材料与仪器 巨菌草(国家菌草工程技术研究中心提供)、硫酸(国药集团化学试剂有限公司生产)、氢氧化钠(国药集团化学试剂有限公司生产)、次氯酸钠(国药集团化学试剂有限公司生产)，试验中所用试剂均为分析纯。

超声波清洗器(昆山市超声仪器有限公司生产)、高速冷冻离心机(上海安亭科学仪器厂生产)、真空冷冻干燥机(北京博医康实验仪器厂生产)、Hitachi-H7650透射电子显微镜(日本日立公司生产)、Nicolet 380傅里叶变换红外光谱仪(美国Thermo electron公司生产)、X’Pert Pro MPD X-射线粉末衍射仪(荷兰飞利浦公司生产)和SZP-06 Zeta电位测定仪(瑞典BTG公司生产)。

1.2巨菌草中提取α-纤维素 采用烧碱法制浆对巨菌草进行蒸煮，蒸煮条件为料液比1∶5，用碱量20%，最高温度160 ℃，保温2 h，以除去大部分木质素。得到的巨菌草化学浆用次氯酸钠进行漂白处理，以获得纯净的α-纤维素。

1.3巨菌草纳米纤维素的制备 取巨菌草α-纤维素，置于硫酸溶液中，超声处理一定时间后，加入大量去离子水终止反应，多次离心洗涤至中性。收集上层乳白色悬浮液，即为NCC胶体，冷冻干燥得到NCC粉末。本研究首先采用单因素试验，硫酸浓度、反应时间和温度各选取6个试验参数以确定各因素的试验参数范围，然后采用L9(34)正交表设计对硫酸浓度(45%、50%、55%)、反应时间(120、150、180 min)和反应温度(55、60、65 ℃)3个影响NCC得率的主要因素进行优化，从而确定最优的制备方案。

1.4纳米纤维素得率的测定 测量离心收集到的NCC悬浮液的总体积，取25 mL NCC悬浮液于称量瓶中，冷冻干燥48 h，称量。

式中，m1为干燥后样品与称量瓶的总质量(g)，m2为称量瓶的质量(g)，m为纤维素原料的质量(g)，v1为NCC悬浮液的总体积(mL)，v2为量取的纳米纤维素的体积(mL)。

1.5结构表征 采用日本Hitachi-H7650透射电子显微镜对样品的形貌进行观察：将1%的NCC超声分散30 min，磷钨酸染色，滴到涂有碳膜的铜网上观察；采用Nicolet 380型傅里叶变换红外光谱仪对样品的化学基团进行表征：将2 mg样品和200 mg KBr混合，采用压片法来测试，扫描范围为4 000～200 cm-1；采用X’Pert Pro MPD X-射线粉末衍射仪对样品的结晶结构进行观察：特征射线Co Ka，Ni片滤波，电压80 kV，测量范围2θ为6°～90°，结晶度(CrI)的计算采用结晶峰面积与峰总面积之比的相对方法[8]，晶粒尺寸(L，nm)采用Scherrer公式计算[9]；将NCC超声分散60 min，采用SZP-06 Zeta电位测定仪测定样品电位值。

CrI=(I002-Iam)/I002；

L=K·λ/β·cos·θ.

式中，I002为结晶区的衍射强度，Iam为无定形区的衍射强度；K为Scherrer常数，其值为0.89，λ为X射线波长(nm)，β为积分半高宽度(rad)，θ为衍射角(°)。

2 结果与分析

2.1单因素试验

2.1.1硫酸对纳米纤维素得率的影响 在反应温度60 ℃，反应时间120 min时，考察硫酸质量分数对NCC得率的影响。随着硫酸质量分数的增大，得率也随之上升，质量分数为50%时，得率达到最大值(67.5%)，而后得率下降(图1)。这是因为纤维素在浓酸溶液中过度水解为葡萄糖，导致NCC得率降低。因此，硫酸浓度以50%左右为宜。

图1 硫酸质量分数对巨菌草纳米纤维素得率的影响Fig.1 Effects of concentration of sulfuric acid on yield of NCC

2.1.2反应时间对纳米纤维素得率的影响 在反应温度60 ℃、硫酸质量分数50%时，考察反应时间对NCC得率的影响。随着反应时间的增加，得率上升，反应时间150 min时，达到最大(75.5%)，而后随着时间增加，得率呈下降趋势(图2)。这是因为随着反应时间的增大，部分纤维素进一步水解为葡萄糖，导致NCC得率下降。因此，反应时间以150 min左右为宜。

图2 反应时间对巨菌草纳米纤维素得率的影响Fig.2 Effects of reaction time on yield of NCC

2.1.3反应温度对纳米纤维素得率的影响 在硫酸质量分数50%、反应时间150 min时，考察反应温度对NCC得率的影响。随着反应温度的升高，得率增大，反应温度60 ℃时，得率达到最大(75%)，之后得率下降(图3)。纤维素分子内的糖苷键在较高温度下发生断裂，发生进一步的水解反应，生成葡萄糖，导致NCC得率下降。因此，反应温度以60 ℃左右为宜。

图3 反应温度对巨菌草纳米纤维素得率的影响Fig.3 Effects of reaction temperature on yield of NCC

2.2正交试验结果 比较极差值可以发现，反应温度对NCC得率影响最显著，其次是硫酸质量分数，反应时间对NCC得率影响较小(表1)。最佳工艺条件为反应温度50 ℃、硫酸质量分数60%、时间150 min，NCC得率最高达到75%。由此可见，正交试验与单因素试验结果相符。

2.3纳米纤维素的微观形貌 巨菌草纤维素经硫酸水解得到的NCC呈棒状，直径约20 nm，长度100～200 nm，同时可观察到NCC之间相互交织成网状结构(图4)。

2.4纳米纤维素的红外光谱表征 由图谱可观察到(图5)，3 450 cm-1附近有一很强的吸收峰，对应为羟基的O-H伸缩振动吸收峰。2 900 cm-1附近的峰对应为-CH2的伸缩振动吸收峰。另外一个主要的吸收峰1 070 cm-1，对应于纤维素醇的C-O伸缩振动，1 168 cm-1对应于C-C骨架的伸缩振动吸收峰。1 635 cm-1附近较弱的吸收峰，对应于C=C双键的伸缩振动吸收，在1 380 cm-1附近对应于C-H的弯曲振动吸收。895 cm-1附近的吸收峰，代表糖苷键O-H伸缩振动，是纤维素脱水葡萄糖单元间β-糖苷键的特征峰[10-11]。对比天然的巨菌草纤维素与由其所制备的NCC的红外图谱(图5)，特征吸收峰并未发生明显改变，说明硫酸水解制备出的NCC化学结构并未被破坏或改变，仍然保持着巨菌草纤维的基本化学结构。

2.5纳米纤维素的Zeta电位 Zeta电位代表分散在液相介质中带电颗粒的有效电荷。Zeta电位绝对值越大，粒子间的相互排斥越强，分散体系越稳定。纤维素本身含有糖醛酸基、极性羟基等基团，其表面总是带负电荷。采用Zeta电位测定仪测定纤维素的Zeta电位发现(表2)，最佳制备条件下获得的NCC的Zeta电位绝对值达到最大，为28.8 mv，较巨菌草α-纤维素提高很多，表明制备的NCC在水介质中显示出良好的分散性。

2.6纳米纤维素的结晶结构 14°处有较强峰，对应于纤维素晶体的{101}面，23°附近出现2个强峰，对应纤维素晶体的{002}面(图6)，因此认为制备的NCC中纤维素Ⅰ型和纤维素Ⅱ型共存[12]。根据计算，NCC的结晶度为58.9%，巨菌草纤维为52.7%，NCC的结晶度较巨菌草纤维显著增大。这是因为硫酸水解过程中，氢离子可以进入到纤维素的无定形区，促进糖苷键的断裂，最终形成独立的晶体。以微晶纤维素为原料制备的NCC的结晶度为77.29%[13]，以纤维素浆粕为原料制备的NCC的结晶度为70%[14]，本研究以巨菌草为原料所制备的NCC的结晶度较微晶纤维素、纤维素浆粕等原料制备的NCC的结晶度低，这主要原因可能是原料不同。微晶纤维素、纤维素浆粕等纤维原料中纤维素含量较高，结晶度较巨菌草高，制备NCC过程中没有经过纤维素提取的过程，故制备的NCC结晶度较高[15-16]。而以巨菌草为原料制备NCC的过程中，需要从巨菌草中提取出纤维素。纤维素提取过程中，由于NaOH、NaClO等的作用，纤维素的结晶区会受到一定程度的破环，导致制备的NCC的结晶度偏低，但NaOH等也会使纤维素的结构变得较为疏松，使得酸水解过程易于进行，无定形区更容易去除，故NCC的得率较高。NCC的晶粒尺寸约为10 nm，这与电镜观察到的尺寸有所不同，这是因为按Scherrer公式算出来的是晶粒度，而电镜观察到的是颗粒度，颗粒尺寸大于晶粒尺寸。

表1 正交试验结果Table 1 Results of orthogonal test

图4 纳米纤维素透射电镜图Fig.4 Transmission electron microscopy image of NCC

图5 巨菌草(a)和纳米纤维素(b)的红外图谱Fig.5 FTIR spectra of Pennisetum sinese (a) and NCC(b)

表2 纤维素悬浮液的Zeta电位Table 2 Zeta potential values of aqueous suspensions of cellulose

图6 巨菌草纤维(a)和纳米纤维素(b)的X射线衍射图谱Fig.6 XRD patterns of Pennisetum sinese (a) and NCC(b)

3 结论

以巨菌草为原料可制备得率较高、性能较好的纳米纤维素，硫酸水解法制备过程中，反应温度对得率的影响最大，反应时间影响较小，最佳工艺条件为硫酸浓度60%、反应温度60 ℃、反应时间150 min；巨菌草纳米纤维素呈棒状，直径20 nm，长度100～200 nm，在水介质中具有良好的分散性，结晶度较巨菌草纤维素有显著提高，纤维素Ⅰ型和纤维素Ⅱ型共存，且仍保持纤维素的基本结构。

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